基于MSP430的便攜式多參數氣體檢測儀

權 潔 熊書敏 孫曉東 余 謙

(天地(常州)自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015)

在金屬非金屬礦山的掘進爆破作業中會產生大量的有毒有害氣體，受井下通風條件所限，這些氣體會對現場施工人員的身體健康造成嚴重危害。為此國家安全監管總局下發了《關于開展金屬非金屬地下礦山防中毒窒息專項整治的通知》，要求進入采掘面的施工人員必須配備氣體檢測裝置[1]。

目前市場上的便攜式氣體檢測儀大多只能檢測單一氣體，部分能夠檢測多種氣體的檢測儀也不具備NO2氣體的檢測功能，為此天地(常州)自動化股份有限公司組織技術人員基于MSP430單片機設計了便攜式多參數氣體濃度檢測報警儀，能夠更好地保證金屬非金屬礦山施工人員的人身安全。

1 檢測儀的電路構成①

便攜式多參數氣體檢測系統的電路構成如圖1所示，電源電路模塊包括全封閉電子開關、欠壓自動關機電路和電壓變換電路；數據采集電路模塊包括CO、O2、 H2S 和NO2檢測與信號處理電路和電池電壓檢測電路；數據處理模塊包括CPU及時鐘等；數據存儲和傳輸模塊包括藍牙電路等；外圍電路模塊包括按鍵、顯示和聲光報警電路。

圖1 多參數氣體檢測系統電路構成框圖

2 工作原理

檢測儀以MSP430單片機為核心，由傳感器、信號處理模塊、A/D轉換模塊及聲光報警模塊等組成，工作流程如圖2所示。

傳感元件是感知環境空氣中某種氣體及其濃度的器件，可將與氣體種類和濃度有關的信息轉換成電信號。天地(常州)自動化股份有限公司設計的氣體多參數檢測儀采用電化學式傳感器對環境空氣中的CO、O2、 H2S 和NO2進行檢測，檢測信號經放大、變換后由單片機進行信號處理，將處理后的濃度值通過顯示電路在顯示屏上顯示實現人機交互；同時將濃度值與設定的報警值進行超限比較，當檢測到的氣體濃度值超出設定的報警閾值時，給出聲光報警信號。電源一般采用鋰離子電池。

圖2 多參數氣體檢測儀工作流程

經過調研了解，礦方對多參數氣體濃度檢測儀的基本參數要求見表1。

表1 多參數氣體檢測儀基本參數

注：O2的濃度是體積濃度。

根據以上參數，該檢測儀通過軟件與硬件結合的方式實現相應的目標功能。

3 硬件電路

檢測儀的硬件電路包括主電路和采集電路部分，主電路部分主要實現信號數據的處理、超限報警、本地數據存儲查看及無線數據傳輸等功能；采集電路部分主要實現信號的采集和信號的轉換。

3.1 主電路

主電路主要由以下部分組成：

a. 電源管理電路。提供工作電壓和參考電壓，電池采用可充電鋰離子電池。

b. 開關機電路。提供電子開關，實現檢測儀的軟關機。

c. 充電電路。采用圓孔充電插頭，直接對供電電池進行充電，并實現檢測儀充滿電后自動斷電的功能。

d. 電池電壓檢測電路。檢測電池電壓。

e. CPU模塊電路。負責信號處理，該檢測儀選用的MSP430單片機具有16位總線的帶Flash，支持8M 的時鐘，適應工業級的運行環境，另外配置有時鐘芯片及存儲芯片等，具有高可靠性和低功耗的優點；另外采用DS18B20溫度傳感器實現溫度的采集，采用藍牙模塊與PC機進行通信，實現數據的傳輸和打印。其中CPU模塊電路、溫度采集電路和藍牙模塊的電路如圖3所示。

圖3 檢測儀的部分主電路

3.2 采集電路

以CO傳感器采集電路的設計為例，說明采集電路的設計方案。CO傳感器采集電路如圖4所示。

圖4 CO傳感器采集電路

CO傳感器采集電路共分為4個部分：

a. 恒定電壓。主要包括三電極電化學CO傳感器，該傳感器響應時間短、線性度好、使用溫度范圍寬、靈敏度高，其檢測范圍最大可達2‰。

b. 兩級放大。被測氣體進入傳感器，在恒電位環境下進行氧化還原反應，并將濃度變化轉換成相應的電流輸出。

c. 參考電壓。為恒定電壓和兩級運放部分提供參考電壓。

d. 電壓跟隨器。CO傳感器電路中接入電壓跟隨器來提高電路性能，電壓跟隨器的輸入電壓與輸出電壓和相位一樣，電壓跟隨器的輸入阻抗很大，輸出阻抗小，可以看成是一個阻抗轉換電路，可以提高原電路的帶負載能力[1～3]。

其他3種采集電路和CO傳感器電路的結構相同，只是NO2電路的R、W極性相反，這是因為在敏感電極上氧化的氣體線路的輸出為正(如CO、H2S、SO2及H2等)，而對那些在敏感電極上還原的氣體則輸出為負(如NO2及O3等)。

4 系統軟件

系統軟件采用C語言編寫。上位機軟件主要是對上傳的數據進行讀取并按數據采集時間順序存儲、顯示并具有打印功能；下位機軟件采用模塊化方式編寫，結合硬件實現采集數據精度的要求、報警參數的設置及參數標定等功能，界面具有電池電量顯示、報警標志顯示、可視化人機交互對應按鍵操作等，還實現了手動數據存儲及查看等功能[4]。系統軟件的設計流程如圖5所示。

圖5 檢測儀的系統軟件流程

5 結束語

天地(常州)自動化股份有限公司研制的便攜式多參數氣體濃度檢測儀，充分利用了MSP430單片機高性能低功耗的內核及其片內豐富的外設資源，檢測精度高、穩定性好，既可在固定檢測點檢測，也可隨身攜帶。本檢測儀體積小、攜帶方便、靈敏度高，能同時對CO、O2、H2S和NO24種氣體濃度進行檢測，為井下作業人員提供了安全保障，特別適宜在金屬、非金屬礦山作業現場使用。

[1] 周鵬輝,汪獻忠,薛妤.基于MSP430的便攜式四合一氣體檢測儀[J].儀表技術與傳感器,2012,(11):77～79.

[2] 周曉紅.基于ARM的礦用便攜式多參數氣體檢測儀的設計[J].電子技術,2014,41(7):75～78.

[3] 陳文禮.便攜式多氣體檢測儀設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2013,13(10):54～56.

[4] 唐文濤.基于MSP430單片機的H2S檢測儀的設計[J].荊楚理工學院學報,2014,29(8):49～53.